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Caractérisation du banc stabilisé d’interférométrie en frange noire
PERSÉE
Julien Lozi (ONERA/CNES)Julien Lozi (ONERA/CNES)Directeur de thèse : Marc Ollivier (IAS)Directeur de thèse : Marc Ollivier (IAS)
Co-directeur de thèse : Frédéric Cassaing (DOTA/HRA)Co-directeur de thèse : Frédéric Cassaing (DOTA/HRA)
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Plan de la soutenance
• L’observation des exoplanètes
• L’interféromètre en frange noire PERSÉE
• Caractérisation des performances du banc
• Simulation des conditions d’un projet spatial
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Plan de la soutenance
• L’observation des exoplanètes• Objectifs de l’étude des exoplanètes• Difficultés d’observations• L’interférométrie en frange noire
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• L’interféromètre en frange noire PERSÉE
• Caractérisation des performances du banc
• Simulation des conditions d’un projet spatial
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Objectifs et méthodes
• Objectif : Affiner les modèles de formation et d’évolution
• Moyen : Exoplanétologie comparée• Caractéristiques physiques des planètes (masse,
rayon, orbite, …)• Composants chimiques remarquables
Ex : Biosignature [H2O, CO2, O3] (bande [6-20] µm)
4
L’observation des exoplanètes
• Deux familles de techniques de mesure :• La détection indirecte
• Mesure de l’influence de la planète sur son étoile Flux, position, spectre
• L’observation directe• Discrimination des photons de la planète de ceux
de l’étoile 760 planètes détectées depuis 1995 25% en 2011 Seulement 31 par observation directe
depuis 2004
Vue d’artiste d’une exoplanète
Ex : Détection par transit
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Les difficultés de l’observation
• Deux principales difficultés :
• La séparation entre l’étoile et la planète
Ex : couple Terre/Soleil @ 30 parsec Un télescope >3 m est nécessaire @ 0,5 µm
Télescope monolithique Un télescope >60 m est nécessaire @ 10 µm
Interférométrie
• Le contraste entre les deux astres Ex : couple Terre/Soleil ≈ 5x109 @ 0,5 µm,
≈ 7x106 @ 10 µm Ex : Jupiter chaud/Etoile ≈ 103 @ 3,5 µm
Mesure de flux à haute résolution et haut contraste• Plusieurs techniques coronographique et de
mesure à haute dynamique• Couplé à l’interférométrie L’interférométrie en frange noire
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Jupiter chaud
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L’interférométrie en frange noire
• Deux télescopes collectent la lumière provenant d’un couple étoile/planète
• L’étoile est sur l’axe et la planète hors-axe
• La différence de marche entre les deux faisceaux est annulée par des lignes à retard
• Un déphasage de achromatique est ajouté sur un bras
La transmission de l’étoile est réduite par la frange destructive
La base B est ajustée pour que la planète soit sur une frange constructive
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L’interféromètre spatial PÉGASE
B = ligne de base
/2B = 0,5-10 mas
Recombineur interférométrique
avec un déphaseur achromatique de
Sidérostat a
Sidérostat b
Taux d'extinction : Tmin/TmaxObjectif : 10-4
Difficulté : stabilité des satellites
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• Le taux d’extinction est d’autant meilleur que les fronts d’onde sont identiques en amplitude, phase et polarisation, pour tout
Les difficultés pour obtenir un taux d’extinction profond sont :
Taux d’extinction
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L’observation des exoplanètes
I2 I1
I1+I2
I
I
t
t
• Aberrations optiques Filtrage par injection dans des
fibres monomodes• L’écart de flux entre les bras(transmission différentielle,
pointage)• La différence de marche• Le chromatisme• La polarisation
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Plan de la soutenance
• L’observation des exoplanètes
• L’interféromètre en frange noire PERSÉE• Objectifs• Principe du cœur interférométrique• Description générale du banc
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• Caractérisation des performances du banc
• Simulation des conditions d’un projet spatial
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PERSÉE : Description et objectifs
• PERSEE a pour but de simuler :• L’étoile, les 2 sidérostats et le
recombineur• Les perturbations typiques du vol
en formation (dérive et vibrations)• La mesure et la correction de ces
perturbations, ainsi que celles du laboratoire
• L’étude du taux d’extinction de l’étoile à différentes longueurs d’ondes à l’aide d’un spectromètre.
• Spécifications de PERSEE :• Un taux d’extinction de 10-4
sur une bande spectrale large• Garantir une stabilité de 10-5
sur quelques heures en présence de perturbations typiques
Objectif de l’observation des jupiters chauds
Ces objectifs nécessitent un contrôle nanométrique de la différence de marche.
L’interféromètre en frange noire PERSÉE
• PERSEE :
Pegase Experiment for Research and Stabilization of Extreme Extinction
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PERSÉE par rapport à l’état de l’art
Objectif de PERSEEObjectif de PERSEE
Lumière monochromatique Performance nécessaire pour l’observation d’exoterres
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Diagramme de fonctionnement
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L’interféromètre en frange noire PERSÉE
SourceSource
SéparationSéparationdes faisceauxdes faisceaux
SidérostatsSidérostats
TélescopesTélescopes DéphasageDéphasageachromatiqueachromatique
SpectromètreSpectromètre
Miroirs piston-tip/tilt
CalculateurCalculateurtemps-réeltemps-réel
SenseurSenseurde tip/tiltde tip/tilt
SenseurSenseurde frangesde franges
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Cophasage par le Mach-Zehnder Modifié
• Le Mach-Zehnder Modifié• 2 entrées• 4 sorties• Recombinaison symétrique 4 états de phase à chaque instant
• Principales difficultés• Étalonnage• Dérive thermique
L’interféromètre en frange noire PERSÉE
I B
D
A C
0
• Modulation ABCD• Mesure de 4 états de phase• Modulation spatiale plus adaptée Mesure simultanée des états Pas de pièce mobile
B
M1
M2
L1
L2 L3
L4
A C
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Description du banc
Collimateur + Collimateur + source (étoile)source (étoile)
Perturbateurs Perturbateurs (sidérostats)(sidérostats)
Lignes à retardLignes à retard
Déphaseur achromatiqueDéphaseur achromatique
CorrecteursCorrecteurs
Senseur de tip/tiltSenseur de tip/tilt
Mach-Zehnder ModifiéMach-Zehnder Modifié
Senseur de frangesSenseur de franges
Train optique Train optique (recombineur)(recombineur)
Voie science + Voie science + spectromètrespectromètre
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Objectifs de ma thèse
• Contexte :• Arrivée en fin 2008, après la phase de définition du banc• Fin de thèse de Kamel Houairi (Onera, cophasage) et de
Sophie Jacquinod (IAS, Mach-Zehnder modifié)
• Objectifs :• Intégrer l’ensemble du banc• Caractériser les différents éléments• Définir et optimiser des procédures d’étalonnages• Valider le couplage entre la partie cophasage et la partie de
mesure scientifique• Optimiser le cophasage en présence de perturbations sub-
micrométriques
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Plan de la soutenance
• L’observation des exoplanètes
• L’interféromètre en frange noire PERSÉE
• Caractérisation des performances du banc• Intégration par étapes• Procédures d’étalonnage• Performances de l’asservissement• Mesure du taux d’extinction
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• Simulation des conditions d’un projet spatial
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Une intégration par étapes Caractérisation des performances du banc
• Étude du MMZ et du cophasage seuls• Caractérisation successive des
éléments ajoutés• Passage du monochromatique au
polychromatique avec l’intégralité du banc (sauf modules afocaux)
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Principale modification apportée
• Module source• Erreur de conception dans la définition initiale
• Sources scientifique et de cophasage différentes Problème de cohérence spatiale Cophasage difficilement utilisable
Nouveau banc nécessaire Nouvelle source supercontinuum large bande (pulsée) Modularité : passage du monochromatique au polychromatique
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Étalonnage des bandes spectrales
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• Senseur de frange : deux mesures de différence de marche sur [0,8-1,0] µm et [1,0-1,65] µm• Taux d’extinction : 9 canaux spectraux sur la bande [1,65-2,45] µm (largeur relative 37%).
Spectre des 4x2 canaux du senseur de franges Spectre des canaux de la caméra
Absorption de l’H2O
Absorption de l’H2O
Pompe Nd-YaG de la source supercontinuum
Caractérisation des performances du banc
• Spectroscopie par transformation de Fourier• Modulation par une ligne à retard de grande course• Franges d’interférences transformée de Fourier spectre du flux transmis
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Étalonnage du Mach-Zehnder Modifié
Rampe de différence de marche pour l’étalonnage
Courant d’obscuritéFlux dans chaque bras
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Asservissements en piston-tip/tilt
• Deux boucles d’asservissement• En différence de
marche 1 kHz Commande par
intégrateur• En tip/tilt 200 Hz Commande par
intégrateur• Actionneurs communs Étalonnage
• Perturbations• Faible turbulence• Vibrations mécaniques
et fréquences électroniques (50 Hz)
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Caractérisation des performances du banc
CapteursCapteurs++
AmplificateursAmplificateursx8x8
CalculateurCalculateurtemps-réeltemps-réel
Fibres optiques x8
Miroirs piston-tip/tilt
SenseurSenseurTip/tiltTip/tilt
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Performances des boucles de contrôle Caractérisation des performances du banc
• En différence de marche• Spécifié à 1 nm rms
• Meilleur résidu obtenu :
= 0,3 nm rms
= /6700 @ 2 µm
• En tip/tilt• Spécifié à 100 mas rms
• Meilleur résidu obtenu :
tip/tilt = 56 mas rms
= 0,4 % de la tache d’Airy
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Performances du taux d’extinction
• En lumière monochromatique polarisée (2,3 µm)Taux d’extinction obtenu : 5,6x10-6, stable à 2x10-7 sur 100 s
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• En lumière polychromatique non polarisée (1,65 - 2,45 µm)
Taux d’extinction obtenu : 8,8x10-6 << 10-4
• Dispersion chromatique : entre 5,9x10-6 et 1,62x10-5
• Stabilité sur 100 s ( = 1 s) : 9x10-8 << 10-5
• Validé sur 7 heures
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Performances du taux d’extinction Caractérisation des performances du banc
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Perturbations de différence de marche
• Le calcul de la contribution de différence de marche sur le taux d’extinction montre que celle-ci est la principale contribution dynamique.
• Les autres contributions sont ainsi quasi-statiques sur 100s.• La contribution de la différence de marche est de 1,4x10-6 << 3,5x10-5.
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Taux d’extinction moyen sur 100s Contribution de différence de marche
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Les autres contributeurs
• Contribution du chromatisme : 2,4x10-6 << 3,5x10-5
• Contribution de l’égalité des flux : 9,5x10-7 << 2x10-5
Contribution de la polarisation : 3,9x10-6 < 10-5
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PERSEE par rapport aux concurrents
PERSEEPERSEE
MonochromatiqueMonochromatique
PERSEEPERSEE
PolychromatiquePolychromatique
Objectif de PERSEEObjectif de PERSEE
Caractérisation des performances du banc
Très bonne gestion des effets chromatiques Taux d’extinction dominé par la contribution achromatique de polarisation
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Plan de la soutenance
• L’observation des exoplanètes
• L’interféromètre en frange noire PERSÉE
• Caractérisation des performances du banc
• Simulation des conditions d’un projet spatial• Description des perturbations typiques• Correction par le correcteur linéaire quadratique gaussien• Extrapolation des résultats à Pégase
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Sous-harmoniques des roues
Harmoniques des roues
Modes fondamentaux des roues
Résidu basse fréquence du pointage des satellites
Perturbations typiques injectées
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Résonnances amplifiées par la plateforme
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Effet sur le taux d’extinction
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Sans perturbations injectées Avec injection des perturbations
• L’injection de la perturbation de plus de 15 nm rms dégrade considérablement le taux d’extinction
La contribution de la différence de marche augmente de 7,3x10-5
Forte contrainte sur les autres contributions Le contrôleur intégrateur n’est pas suffisant pour gérer ces perturbations
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Implémentation d’un contrôleur LQG
• Le contrôleur LQG est un contrôleur optimal pour la réduction du résidu de différence de marche• Exploitation des acquis de l’Optique Adaptative (Onera/L2TI)• La réjection est adapté au signal Nécessite un modèle de perturbation réaliste
• Première application expérimentale de l’identification non supervisée des vibrations, développée à l’Onera
Adaptation à la problématique du cophasage Détermination des limitations expérimentales (Ex : réjection de la valeur moyenne)
Miroirs piston-tip/tilt
Senseur de franges
Loi de contrôle
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MesureCommande
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Résultat expérimental
• L’identification fournit un modèle de perturbation à partir de la mesure de la fréquence et de l’amplitude de 20 vibrations
Vibration non corrigée par l’intégrateur
Supprimée par la commande LQG
Simulation des conditions d’un projet spatial
Vibration identifiée Vibration identifiée et corrigéeet corrigée
Vibration identifiée Vibration identifiée et corrigéeet corrigée
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Effet du LQG sur le taux d’extinction
• Réduction importante de la contribution de la différence de marche : Contribution au taux d’extinction : passage de 7,3x10-5 à 3,3x10-6
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Extrapolation au cas de Pégase
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• Pégase est moins sensible aux perturbations de différence de marche Relâchement de la contrainte de cophasage
• Le flux disponible est beaucoup moins important Réduction de la bande passante de l’asservissement Augmentation de la taille des collecteurs
Mais le nombre de cibles a fortement augmenté depuis la phase 0 de Pégase
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Conclusions
• Travail effectué sur le banc Persée• Intégration complète du banc• Développement d’outils de pilotage, de diagnostic et d’étalonnage• Optimisation des boucles et analyse des perturbations restantes• Implémentation et validation d’un contrôleur LQG avec identification de vibrations Obtention d’un taux d’extinction polychromatique record, 10 fois meilleur que celui
attendu, très stable, et validé sur plusieurs heures
• Autres implications• Analyse vibratoire du coronographe SCExAO du télescope Subaru• Mesure de la qualité optique des lentilles de Jean-Dominique Cassini (XVIIe siècle)
• Bilan• Collaboration entre laboratoires qui a très bien fonctionné• Un climat de travail très positif
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Perspectives
• Perspectives du banc• Validation prochaine de l’accrochage des franges avec de grandes vitesses de
défilement (150 µm/s)• Un module simulant une planète et un disque exozodiacal est en cours
d’installation• Un nouveau doctorant de l’OCA exploitera ce module
• Perspectives sur l’interférométrie en frange noire• Tous les projets spatiaux ont été repoussés…• Mais PERSEE va permettre de faire avancer l’interférométrie en frange noire et la
réalisation d’une mission spatiale Définition des exigences minimales• Mais il reste à valider un certains nombres de points (vol en formation,
déploiement de satellites, …)• Malgré sa complexité, elle reste une méthode à considérer pour la spectroscopie
des exoterres.
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